Ingénierie de verres de silice : influence de pré-traitements sur la variation d'indice de réfraction de guides d'ondes photo-inscrits par laser femtoseconde

Silica glass engineering : Influence of pre-treatments on the refractive index change of waveguides photo-inscribed by femtosecond laser

• Auteur / Autrice : Maxime Royon
• Direction : Razvan Stoian, Emmanuel Marin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique, photoniques et hyperfréquences
• Date : Soutenance le 12/04/2018
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Jean Monnet (Saint-Étienne ; 1969-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Hubert Curien (Saint-Etienne ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Yves Bellouard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Matthieu Lancry, Sylvain Girard, Nadège Ollier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Matthieu Lancry, Olivier Utéza

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photonique

Spectroscopie Raman

Photoluminescence

Silice

Lasers femtoseconde

Guides d'ondes optiques

Guides d'ondes

Mots clés libres

Guides d'ondes

Laser femtoseconde

Silice

Photoluminescence

Raman

Photonique 3D

Waveguides

Femtosecond laser

Silica

Photoluminescence

Raman

Photonics 3D

Résumé

De nos jours, les lasers impulsionnels et en particulier les lasers femtosecondes sont d'un grand intérêt pour les applications photoniques. En effet, en focalisant les impulsions au sein de matériaux transparents, l'énergie se trouve déposée et confinée dans le volume focal provoquant alors une modification locale de l'indice de réfraction ( ∆n) par le biais de processus non-linéaires. Selon la dose accumulée et l'énergie de l'impulsion, il est possible d'induire des variations d'indice positives et isotropes (Type I) ou de fortes variations d'indice négatives et anisotropes (Type II). Le premier régime mentionné est utilisé pour des propriétés de guidage. Aussi, cela rend possible la création de guides d'ondes, coupleurs, réseaux de Bragg et composants photoniques 3D possédant des designs plus ou moins complexes. L'objectif principal est donc d'optimiser la performance des différents composants optiques pour lesquels le contrôle de ∆n est crucial. Au cours de cette thèse, nous proposons deux approches afin d'améliorer et d'optimiser la variation d'indice, basés sur le pré-conditionnement du matériau avant l'irradiation femtoseconde. Dans le but de vérifier le bénéfice de tels pré-traitements, nous avons utilisé des techniques spectroscopiques à savoir la photoluminescence (PL) associée à l'étude Raman mais également la mesure de ∆n. Le premier pré-traitement est basé sur une pré-irradiation X avec des doses accumulées jusqu'à 6 MGy. Les résultats montrent que le ∆n des guides d'ondes est grandement amélioré pour ces échantillons. L'effet d'un tel pré-traitement réside en la génération de défauts (NBOHC et E') induits par des photons X, améliorant ainsi la densification induite par laser. Le second traitement correspond à une pré-hydrogénation de différents massifs de silice. La photo-inscription de guides d'ondes dans de tels échantillons montre une densification plus importante d'une part mais également un ∆n plus contrasté. Au travers de ces deux techniques distinctes de pré-­conditionnements, nous obtenons un ∆n plus important à même dose de photons comparé à un échantillon non traité ; il est alors possible d'obtenir des processus de photo-inscription plus rapides, notamment dans le domaine de la photonique 3D.

Nowadays, ultrafast lasers and particularly femtosecond laser are promising tools in photonic applications. Using a focus femsecond laser beam in a transparent dielectric material as fused silica, the energy is deposited and confined to a focal volume leading to a localized refractive index change ( ∆n) through nonlinear processes. The typical intensity ranges for photo-inscription allow for tuning index changes from isotropic soft positive index changes (denoted as Type I) to strong negative and anisotropie driven index variations (denoted as Type II). The first regime is used for guiding properties. As a consequence, this regime of interaction can be used to photo-inscribe waveguides, 3 D photonic devices, splitters, Bragg gratings or binary data storage with a more or less exotic structure. The main challenge is to optimize their performances by developing optical functions related to a refractive index variation. Controlling the laser induced refractive index change is thus a key parameter. In this thesis, we present several approaches to improve the contrast of the laser induced ∆n by preconditioning the sample before the photo-inscription. ln order to demonstrate the beneficial effect of those treatments, we applied photoluminescence (PL) and Raman spectroscopies, followed by the measurement of the corresponding ∆n. The first preconditioning is based on an X-rays pre-treatment with accumulated doses up to 6 MGy. Results show that the ultrafast laser-induced ∆n is higher in samples pre-irradiated with X-rays. The effect of such preconditioning lies in the generation of defects (NBOHC and E') and precursors by energetic X-ray photons, enhancing a subsequent laser-induced densification process. At the same time, the preconditioned material reaction to light allows to extract important physical information on the transformation processes, linking defect production and densification rates. The second treatment corresponds to a pre­hydrogenation of the bulk. The photo-inscription ofwaveguides in a pre-hydrogenated sample shows a higher ∆n and a higher densification compared with those written in a pristine sample. As we have a higher contrast at a same dose of photons compared with the pristine sample, those different preconditioning determine faster photoinscription processes especially for 3D photonics application.